DE112004002324B4 - Method of reducing NOx in diesel engine exhaust - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Reduzieren von Stickstoffoxiden einschließlich NO in einem ebenfalls Sauerstoff, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Abgasstrom bei einer Temperatur oberhalb von 150°C, wobei das Verfahren umfasst:
Durchströmen von Luft durch einen nicht thermischen Plasmareaktor, um ein Ozon enthaltendes Plasma zu erzeugen, sowie Zuführen des Plasmas zu dem Abgasstrom für die Oxidation von NO zu NO2,
Zuführen von Ethanol zu dem Abgasstrom getrennt von der Zuführung des Plasmas für die Reduktion der Stickstoffoxide und
daran anschließend Kontaktieren des Abgasstroms mit einem Zweibettreduktionskatalysator enthaltend in dem ersten Bett NaY Zeolith und/oder BaY Zeolith und in dem zweiten Bett CuY Zeolith, um die Stickstoffoxide zu N2 zu reduzieren.A method of reducing nitrogen oxides, including NO, in an exhaust gas stream also containing oxygen, carbon monoxide and hydrocarbons at a temperature above 150 ° C, the method comprising:
Passing air through a non-thermal plasma reactor to produce an ozone-containing plasma and supplying the plasma to the exhaust gas stream for the oxidation of NO to NO 2 ,
Supplying ethanol to the exhaust stream separately from the supply of the plasma for the reduction of nitrogen oxides and
then contacting the exhaust gas stream with a two-pot reduction catalyst containing in the first bed NaY zeolite and / or BaY zeolite and in the second bed CuY zeolite to reduce the nitrogen oxides to N 2 .
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Behandlung von Abgas aus einer mit Kohlenwasserstoff als Treibstoff betriebenen Kraftquelle, wie beispielsweise aus einem Dieselmotor, welcher mit einer treibstoffmageren Verbrennungsmischung betrieben wird. Insbesondere betrifft diese Erfindung das Behandeln des NOx Gehalts von Abgas durch die getrennten Zugaben von Ethanol und plasmabehandelter Luft, bevor das Abgas in Kontakt mit einem mit unedlem Metall ausgetauschten Zeolith Katalysator tritt.The present invention relates generally to the treatment of exhaust gas from a hydrocarbon powered fuel source, such as a diesel engine, which is operated with a fuel lean combustion mixture. In particular, this invention relates to treating the NO x content of exhaust gas by the separate additions of ethanol and plasma-treated air before the exhaust gas comes into contact with a base metal-exchanged zeolite catalyst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION
Dieselmotoren, einige mit Benzin als Treibstoff betriebene Motoren und viele mit Kohlenwasserstoff als Treibstoff betriebene Kraftwerke werden für eine verbesserte Treibstoffwirtschaftlichkeit bei höheren als stöchiometrischen Luft zu Treibstoff Massenverhältnissen betrieben. Solche mager verbrennenden Motoren und andere Kraftquellen produzieren allerdings ein heißes Abgas mit einem relativ hohen Gehalt an Sauerstoff und Stickstoffoxiden (NOx). In dem Fall von Dieselmotoren liegt die Temperatur des Abgases aus einem aufgewärmten Motor typischerweise in einem Bereich von 200°C bis 400°C und hat typischerweise eine auf das Volumen bezogene Zusammensetzung von ungefähr 17% Sauerstoff, 3% Kohlendioxid, 0,1% Kohlenmonoxid, 180 ppm Kohlenwasserstoffe, 235 ppm NOx mit dem Rest Stickstoff und Wasser.Diesel engines, some gasoline fueled engines, and many hydrocarbon fueled power plants are operated at fuel mass ratios at higher than stoichiometric air for improved fuel economy. However, such lean-burn engines and other power sources produce a hot exhaust gas with a relatively high content of oxygen and nitrogen oxides (NO x ). In the case of diesel engines, the temperature of the exhaust gas from a warmed-up engine is typically in the range of 200 ° C to 400 ° C and typically has a volume composition of about 17% oxygen, 3% carbon dioxide, 0.1% carbon monoxide , 180 ppm hydrocarbons, 235 ppm NO x with the remainder nitrogen and water.
Diese typischerweise Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2) enthaltenden NOx-Gase sind aufgrund des hohen Sauerstoff(O2)-Gehaltes in dem heißen Abgasstrom schwer zu Stickstoff (N2) zu reduzieren. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Reduzieren von NOx in solchen Gasmischungen bereitzustellen.These NO x gases, typically containing nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), are difficult to reduce to nitrogen (N 2 ) due to the high oxygen (O 2 ) content in the hot exhaust gas stream. It is therefore an object of the present invention to provide an improved method for reducing NO x in such gas mixtures.
In der
Aus der
In der
In der
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Reduzieren von NOx in einem Abgasstrom unter Einsatz von gewissen, mit unedlem Metall ausgetauschten Zeolith Y Katalysatoren mit getrennten, stromaufwärtigen Zugaben von Ozon und Ethanol bereit. Dieses Verfahren ist zum Reduzieren von NOx in einem heißen Abgasstrom, der ebenfalls eine große Menge an Sauerstoff enthält, geeignet. Die vorliegende Erfindung ist zum Behandeln von in mager verbrennenden Kraftwerken und Motoren, wie beispielsweise Dieselmotoren, erzeugten Abgasströmen geeignet. Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Anwendung von Dieselmotoren veranschaulicht.The present invention provides a method of reducing NO x in an exhaust gas stream using certain base metal exchanged zeolite Y catalysts with separate upstream additions of ozone and ethanol. This method is suitable for reducing NO x in a hot exhaust gas stream which also contains a large amount of oxygen. The present invention is suitable for treating exhaust gas streams generated in lean-burn power plants and engines, such as diesel engines. The present invention will be illustrated with reference to the application of diesel engines.
In der vorliegenden Erfindung wird das NOx enthaltende Abgas letztlich durch oder über einen Zweibettkatalysator geleitet, in dem das stromaufwärtige Bett Natrium Y Zeolith oder Barium Y Zeolith und das stromabwärtige Bett Kupfer Y Zeolith ist. Diese mit unedlem Metall ausgetauschten Zeolith Katalysatoren werden in dieser Beschreibung manchmal als NaY, BaY bzw. CuY bezeichnet. Die Wirksamkeit des Zweibettkatalysators wird zum einen durch die stromaufwärtige Zugabe von aus Luft plasmaerzeugtem Ozon zu dem Abgas, um NO zu NO2 umzusetzen, und zweitens durch die getrennte Zugabe von Ethanol zu dem Abgas, um die Reduktion von NO2 zu N2 zu unterstützen, verstärkt. Ein Plasmareaktor wird bei niedrigeren Katalysatortemperaturen eingesetzt, so dass das Ozon das NO zu NO2 umsetzt, während ein Teil des Ethanols zu Acetaldehyd oxidiert wird. Die Energiedichtenanforderung des Plasmareaktors ist eine Funktion der Temperatur des Zweibettkatalysatorreaktors (oder der damit nahe in Beziehung stehenden Abgastemperaturen des Reaktoreinlasses). Das Ethanol wird in einer, auf der an dem Einlass des Zweibettkatalysators oder in dem Reaktor basierenden Temperatur, für die Verringerung des NO2-Gehalts des Abgases ausreichenden Menge zugefügt. Da das Abgas dann durch den Zweibettkatalysator strömt, wird ein Teil des Ethanols zu Acetaldehyd oxidiert und beide nehmen an der Reduktion von NO2 zu N2 teil. Es wurde herausgefunden, dass das Ethanol und das Acetaldehyd zum Reduzieren von NO2 über der Katalysatoroberfläche ohne übermassigen Abbau der Katalysatoraktivität wirksam ist.In the present invention, the exhaust NO x containing ultimately is passed through or over a two bed catalyst in which the upstream bed of sodium Y zeolite or barium Y zeolite and the downstream bed is copper Y zeolite. These base metal exchanged zeolite catalysts are sometimes referred to in this specification as NaY, BaY, or CuY, respectively. The effectiveness of the twin catalyst is firstly due to the upstream addition of air plasma generated ozone to the Exhaust gas to convert NO to NO 2 , and secondly, by the separate addition of ethanol to the exhaust to promote the reduction of NO 2 to N 2 , enhanced. A plasma reactor is used at lower catalyst temperatures so that the ozone converts the NO to NO 2 while a portion of the ethanol is oxidized to acetaldehyde. The energy density requirement of the plasma reactor is a function of the temperature of the twin catalyst reactor (or the closely related exhaust gas temperatures of the reactor inlet). The ethanol is added in an amount sufficient to reduce the NO 2 content of the exhaust gas in a temperature based on the inlet of the twin catalyst or in the reactor. As the exhaust gas then flows through the twin catalyst, a portion of the ethanol is oxidized to acetaldehyde and both participate in the reduction of NO 2 to N 2 . It has been found that the ethanol and acetaldehyde are effective for reducing NO 2 over the catalyst surface without undue degradation of catalyst activity.
Ozon wird geeigneterweise durch Hindurchströmen von Umgebungsluft durch einen hoch wirksamen, nicht thermischen Plasmagenerator erzeugt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Plasmagenerator ein Rohr mit einer dielektrischen zylindrischen, einen Reaktorraum ausbildenden Wand. Eine lineare Hochspannungselektrode ist in diesem Reaktorraum entlang der Achse des Rohres angeordnet. Eine äußere Erdungselektrode umfassend einen elektrisch leitfähigen Draht ist spiralförmig um die zylindrische, dielektrische Wand herum gewunden. Das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an die zentrale Elektrode erzeugt in der durch den Reaktor strömenden Umgebungsluft ein Plasma. Die Kombination der spiralförmigen Erdungselektrode und der linearen, axialen Elektrode erzeugt ineinander verflochtene spiralförmige Bereiche aktiver und passiver elektrischer Felder. Bedeutenderweise werden in dem durch den Plasmareaktor strömenden Luftstrom Ozon und möglicherweise andere chemisch aktivierte Sauerstoffionen und/oder -radikale und andere Arten gebildet. Wie zuvor ausgeführt tritt der Ausstoß des Plasmareaktors in den Abgasstrom ein und das Ozon oxidiert NO zu NO2. Stromabwärts wird das NO2 durch die Reaktion mit Ethanol und Acetaldehyd über den mit unedlem Metall ausgetauschten Zweibettzeolithkatalysatoren zu N2 reduziert.Ozone is suitably generated by passing ambient air through a high efficiency non-thermal plasma generator. In a preferred embodiment, the plasma generator is a tube having a dielectric cylindrical wall forming a reactor space. A linear high voltage electrode is disposed in this reactor space along the axis of the tube. An outer ground electrode comprising an electrically conductive wire is spirally wound around the cylindrical dielectric wall. The application of a high-frequency alternating voltage to the central electrode generates a plasma in the ambient air flowing through the reactor. The combination of the spiral grounding electrode and the linear axial electrode creates intertwined helical regions of active and passive electric fields. Significantly, ozone and possibly other chemically activated oxygen ions and / or radicals and other species are formed in the air stream flowing through the plasma reactor. As stated previously, the ejection of the plasma reactor enters the exhaust stream and the ozone oxidizes NO to NO 2 . Downstream, the NO 2 is reduced to N 2 through the reaction with ethanol and acetaldehyde over the base metal divalent catalyst.
Die Temperatur des in die zwei Betten des Reduktionskatalysators eintretenden Abgases (oder eine Temperatur des Bettes selbst) wird überwacht und der NOx Gehalt des Abgases wird gemessen oder abgeschätzt. Wie in der nachfolgenden Beschreibung detaillierter beschrieben werden sowohl die Plasmaenergiedichte als auch das molare Verhältnis EtOH/NOx basierend auf einer solchen Reduktionskatalysatortemperatur eingestellt und/oder gesteuert. Im Allgemeinen nimmt die Anforderung an die Plasmaenergie mit zunehmender Reduktionskatalysatortemperatur ab, wohingegen die Anforderung an Ethanol mit zunehmender Katalysatortemperatur ansteigt. Bei einem in stationärem Zustand betriebenen Kraftwerk kann der Katalysatorreaktor für lange Zeitspannen bei einer konstanten Temperatur arbeiten und der NOx Gehalt kann im Wesentlichen der gleiche bleiben. In diesem Fall bedarf es keiner häufigen Überwachung der einmal eingestellten Plasmaenergiedichte und des EtOH/NOx-Verhältnisses. Allerdings werden die Bedingungen während des Aufwärmens und die Bedingungen während unterschiedlicher Fahrweise in Diesel- oder mager verbrennenden Treibstofffahrzeugmotoren wahrscheinlich eine häufigere Überwachung oder Abschätzung des NOx Gehalts des Abgases und der Katalysatortemperatur benötigen.The temperature of the exhaust gas entering the two beds of the reduction catalyst (or a temperature of the bed itself) is monitored and the NO x content of the exhaust gas is measured or estimated. Both the plasma power density and the molar ratio EtOH / NO are described in more detail in the following description x is set based on such reduction catalyst temperature and / or controlled. In general, the demand for plasma energy decreases with increasing reduction catalyst temperature, whereas the requirement for ethanol increases with increasing catalyst temperature. In one operated in steady state power plant the catalytic reactor can operate for long periods at a constant temperature and the NO x content may remain substantially the same. In this case, there is no need for frequent monitoring of the set plasma energy density and the EtOH / NO x ratio. However, the conditions during warm-up and the conditions during different driving in diesel or lean-burn gasoline engine engines are likely to require more frequent monitoring or estimation of the NO x content of the exhaust gas and the catalyst temperature.
Für eine Reduktionskatalysatortemperatur in einem Bereich zwischen 200°C und 400°C ist das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung dazu fähig, über einen ausgedehnten Betrieb der mit unedlem Metall ausgetauschten Zweibettzeolithkatalysatoren eine Durchschnittsumsetzung von NOx zu N2 von 90% zu erreichen.For a reducing catalyst temperature in a range between 200 ° C and 400 ° C, the process according to the present invention is capable of achieving an average NO x to N 2 conversion of 90% through extended operation of the base metal divalent catalyst.
Das den Dieselmotor verlassende Abgas enthält unverbrannte Kohlenwasserstoffe, insbesondere Dieselpartikel, sowie Kohlenmonoxid, welche vorzugsweise durch katalytische Oxidation und Filter des Abgases vor der Ozonzugabe zu dem Abgas entfernt werden.The exhaust leaving the diesel engine contains unburned hydrocarbons, especially diesel particulates, as well as carbon monoxide, which are preferably removed by catalytic oxidation and filtration of the exhaust gas prior to ozone addition to the exhaust gas.
Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform offensichtlich.Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Eine Anwendung der vorliegenden Erfindung ist schematisch in der
Wiederum unter Bezugnahme auf die
Ein Strom von verdichteter Umgebungsluft, welcher in geeigneter Weise aus dem Motorabteil abgezogen wird, wird durch einen effizienten, rohrförmigen, nicht thermischen Plasmareaktor
Der Reduktionskatalysatorreaktor
Wie in der
An den Endanschlüssen
Ethanol kann, wie in der
Es gibt vier wichtige Faktoren bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung: den nicht thermischen Seitenstromplasmareaktor für die Erzeugung von Ozon aus Luft; die Zusammensetzung des Reduktionskatalysators; das Ethanolreduktionsmitteladditiv und das Management der Arbeitsparameter, insbesondere der Plasmaenergie und des Zuführungsverhältnisses von Ethanol/NOx. Die Plasmaenergiedichte und das Zuführungsverhältnis Ethanol/NOx variieren mit der Reduktionskatalysatortemperatur. Das Abgasbehandlungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung unter Einbeziehung dieser vier Faktoren wird unter Einsatz eines Laboratoriumsaufbaus und eines Motordynamometeraufbaus illustriert.There are four important factors in the practice of the present invention: the non-thermal side stream plasma reactor for the production of ozone from air; the composition of the reduction catalyst; the ethanol reducing agent additive and the management of the working parameters, in particular the Plasma energy and the feed ratio of ethanol / NO x . The plasma energy density and the feed ratio of ethanol / NO x vary with the reduction catalyst temperature. The exhaust gas treatment method according to the present invention incorporating these four factors is illustrated using a laboratory structure and an engine dynamometer structure.
Experimenteller LaboratoriumsaufbauExperimental laboratory construction
Ein Laboratoriumsreaktorsystem wurde hergestellt, um in einem synthetischen Abgasstrom die Reduktion von NOx zur N2 durch das in der
Für die meisten Tests betrug die Strömungsgeschwindigkeit des 225 ppm an NO enthaltenden, synthetischen Abgases 143 cm3/Min. (STP) und die Geschwindigkeit der Ethanalzugabe betrug entsprechend 0,00051 cm3/Min. Das simulierte Abgas wurde durch Vermischen einzelner Gase erhalten, deren Strömungsgeschwindigkeiten durch Massenströmungssteuerungsgeräte geregelt wurden, um die gewünschte Abgaszusammensetzung zu erhalten. Der Gasmischung wurde durch Passieren des Gasstroms durch einen deionisiertes Wasser bei Raumtemperatur enthaltenden Blasenapparat Wasserdampf zugeführt. Die Produktgasmischung aus dem Reduktionskatalysatorreaktor
Der in den Laboratoriumstests eingesetzte Plasmareaktor
Der Katalysatorreaktor
Sowie das Abgas bei Temperaturen oberhalb von 300°C strömte über den CuY Zeolith Katalysator fand dann die nachfolgende Reaktion statt:
Sowohl die BaY- als auch die CuY-Katalysatoren wurden durch wässrigen Zonenaustausch von NaY mit Ba(NO3)2- und Cu(NO3)2-Vorläufern hergestellt. Alle Proben in Pulverform wurden pelletiert und zu einer Korngröße von 30 bis 40 mesh zermalmt. Die granulierten Katalysatoren wurden in einem aus einem Quarzrohr mit einem o. d. von ein Viertel Inch gefertigten Rohrreaktor gepackt, der stromabwärts des Plasmareaktors
Die chemische Zusammensetzung des Abgases wurde an drei verschiedenen Orten überwacht: vor dem Plasmareaktor, zwischen dem Plasmareaktor und dem Katalysatorreaktor und hinter dem Katalysatorreaktor. Ein von Horiba hergestelltes Motorabgasanalysiergerät (Mexa-7500 DEGR), das einen NO/NOx Chemilumineszenzanalysator, einen HFID HC Analysator, einen O2 Analysator und IR Analysatoren für CO, CO2 und N2O enthielt, wurde für die chemische Analyse eingesetzt. Das HFID HC Analysiergerät wurde für den gesamten Kohlenstoff sowohl aus HC als auch aus organischem POHC (teilweise oxidierte Kohlenwasserstoffe) eingesetzt. Es wurde unter Einsatz der Abgasbehandlungsmethode gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Reaktoraustrittstemperatur von ungefähr 300°C eine Umsetzung von NOx zu N2 von ungefähr 90% erreicht.The chemical composition of the exhaust gas was monitored at three different locations: in front of the plasma reactor, between the plasma reactor and the catalyst reactor and behind the catalyst reactor. A Horiba-made engine exhaust analyzer (Mexa-7500 DEGR) that included a NO / NO x chemiluminescence analyzer, an HFID HC analyzer, an O 2 analyzer, and IR analyzers for CO, CO 2, and N 2 O was used for the chemical analysis. The HFID HC Analyzer was used for all carbon from both HC and organic POHC (partially oxidized hydrocarbons). A conversion of NO x to N 2 of about 90% was achieved using the exhaust treatment method of the present invention at a reactor exit temperature of about 300 ° C.
Der vorteilhafte Effekt der Verwendung des Ethanol enthaltenden Reduktionsmittels mit der Reduktionskatalysatorkombination verglichen mit herkömmlichen Kohlenwasserstoffreduktionsmitteln ist in der
Über die Betriebszeit des Reduktionskatalysators (”Zeit-an Strom”) wurde die prozentuale Umsetzung von NOx für jedes getestete Reduktionsmittel in Minuten aufgenommen. Wie in der
Es wurden ebenfalls Laboratoriumsuntersuchungen durchgeführt, um eine bevorzugte Reihenfolge für die Einführung des Ozon enthaltenden Plasmas und des Ethanols in den NOx enthaltenden Abgasstrom zu bestimmen. In diesen Tests wurde E-85 unter Einsatz einer Spritzenpumpe injiziert. In einigen Tests wurde das E-85 in den Abgasstrom injiziert, bevor das Ozon enthaltende Plasma in den Abgasstrom eingeführt wurde, so dass vermutlich ein Teil des Ozons mit Ethanol reagieren konnte. In anderen Tests wurde das Ethanol nach der Einführung des Ozon enthaltenden Plasmas in den Abgasstrom injiziert, so dass lediglich die simulierte Abgasmischung durch Ozon behandeltes Plasma behandelt wurde.Laboratory tests were also conducted to determine a preferred order for the introduction of the ozone-containing plasma and ethanol into the NO x -containing exhaust gas stream. In these tests, E-85 was injected using a syringe pump. In some tests, the E-85 was injected into the exhaust stream before the ozone-containing plasma was introduced into the exhaust stream, presumably allowing some of the ozone to react with ethanol. In other tests, after introduction of the ozone-containing plasma, the ethanol was injected into the exhaust stream so that only the simulated exhaust mixture was treated by ozone-treated plasma.
Es wurde herausgefunden, dass die Injektion von E-85 vor dem Plasmareaktor mehr Acetaldehyd (AA) produzierte, aber weniger NO2, als wenn E-85 nach dem Plasmareaktor eingefügt wurde. Die Menge an produziertem AA betrug ungefähr 10% der Ethanolzuführung, was anzeigt, dass die Effizienz des Plasmas zum Umsetzen von Ethanol zu AA gering ist. Es wurde ebenfalls geschlossen, dass die Anwesenheit von Ethanol in dem Abgasstrom die Umsetzung von NO zu NO2 durch das Plasma unterdrückt. Dementsprechend weisen die Laboratoriumsuntersuchungen darauf hin, dass das Ethanol vorzugsweise stromabwärts der Einführung des Ozon enthaltenden Plasmas in den NOx Abgasstrom eingeführt wird.It was found that injection of E-85 in front of the plasma reactor produced more acetaldehyde (AA) but less NO 2 than when E-85 was added after the plasma reactor. The amount of AA produced was approximately 10% of the ethanol feed, indicating that the efficiency of the plasma to convert ethanol to AA is low. It was also concluded that the presence of ethanol in the exhaust gas stream suppresses the conversion of NO to NO 2 by the plasma. Accordingly, the laboratory studies indicate that the ethanol is preferably introduced into the NO x exhaust stream downstream of the introduction of the ozone-containing plasma.
Es wurden ebenfalls Laboratoriumstests durchgeführt, um (a) die für die katalytische Verringerung des NOx Gehaltes über einen Katalysatortemperaturbereich von über 150°C bis 400°C benötigte Menge an Ethanol und (b) die Energieanforderungen für den nicht thermischen Plasmareaktor über denselben Temperaturbereich zu bestimmen. Die in diesen Tests erhaltenen Daten sind in der
Die durchgezogene Linie in der
Diese Laboratoriumstests weisen ebenfalls darauf hin, dass mit ansteigender Katalysatortemperatur ein höheres molares Verhältnis von Ethanol- zu NOx- Gehalt benötigt wird. Wie in der
In den Laboratoriumstests wurde unter optimalen Betriebsbedingungen eine durchschnittliche NOx Umsetzung von 91% über einen Temperaturbereich von 200°C bis 400°C erhalten, wenn ein Zweibettkatalysatorreaktor enthaltend NaY und CuY zusammen mit Ethanol (E85) als Reduktionsmittel eingesetzt wurde. Die simulierte Abgasmischung enthielt 215 ppm NO und deren Raumgeschwindigkeit (SV) durch das NaY Bett betrug 11 K/Std. und deren SV durch das CuY Bett betrug 22 K/Std. Die NOx-Umsetzungsdaten (%) über einen Temperaturbereich von 150°C bis 400°C sind in grafischer Form in der
Experimenteller DynamometeraufbauExperimental dynamometer setup
Die Tests wurden an einem Motorendynamometer mit einem 6-Zylinderdieselmotor mit einem Hubraum von 4,9 l durchgeführt. Der Motor wurde unter kontrollierten Bedingungen betrieben, um ein mit dem vorliegenden Verfahren zu behandelndes Abgas herzustellen. Der experimentelle Aufbau ist in der
Der abgezogene Dieselabgasstrom wurde zunächst über einen auf Palladium basierenden Dieseloxidationskatalysator (DOC) und einen keramischen Filter (Filter) geleitet, bevor dieser mit den Zweibettkatalysatoren (BaY + CuY) in Kontakt trat. Die Analyse des oxidierten Stroms durch ein Analysiergerät (AN) zeigte an, dass ein Teil des Acetaldehyds während dessen Oxidation gebildet wurde. Das Acetaldehyd wurde als ein geeignetes Reduktionsmittel zum Reduzieren von NOx zu N2 angesehen. Sowohl der Hyperplasmareaktor (HP) als auch das E-Dieselreservoir (E) waren außerhalb des Motorabgasstroms S lokalisiert.The withdrawn diesel exhaust stream was first passed over a palladium-based diesel oxidation catalyst (DOC) and a ceramic filter before contacting it with the twin catalysts (BaY + CuY). Analysis of the oxidized stream by analyzer (AN) indicated that part of the acetaldehyde was formed during its oxidation. The acetaldehyde was considered to be a suitable reducing agent for reducing NO x to N 2 . Both the hyperplasma reactor (HP) and the e-diesel reservoir (E) were located outside the engine exhaust stream S.
Um höhere, in den Motordynamometertests eingesetzte Abgasstromströmungsgeschwindigkeiten einzustellen, wurde ein größerer Plasmareaktor HP durch Verlängern des Plasma bildenden Bereichs des Laboratoriumsreaktors unter Beibehaltung der Geometrie und des Durchmessers desselben angefertigt. Das heißt die Erdungselektrode wurde aus einem Ni beschichtetem, in zwanzig kompletten Windungen um die äußere Oberfläche des Quarzrohres mit einem Abstand von 0,2 cm herum gewundenen Kupferdraht angefertigt, was in einer Gesamtlänge des Plasma bildenden Bereichs von 4 cm resultierte. Die elektrische Frequenz wurde bei +/–7 kV ebenfalls auf 2000 Hz erhöht. Der Ozon enthaltende Strom (SS) wurde in den Abgasseitenstrom S injiziert.To set higher exhaust stream flow rates used in the engine dynamometer tests, a larger plasma reactor HP was made by extending the plasma forming area of the laboratory reactor while maintaining the geometry and diameter thereof. That is, the ground electrode was made of a Ni-coated copper wire wound in twenty complete turns around the outer surface of the quartz tube at a pitch of 0.2 cm, resulting in a total plasma-forming area length of 4 cm. The electrical frequency was also increased to 2000 Hz at +/- 7 kV. The ozone-containing stream (SS) was injected into the exhaust gas stream S.
Bei der Behandlung der Dynamometerabgase wurde entweder reines Ethanol oder durch Luft aus einer E-Dieselmischung verdampftes Ethanol in den Abgasstrom injiziert. Der E-Diesel (eine Lösung von 85% Dieseltreibstoff und 15% Ethanol) wurde in dem Reservoir E gehalten und Luft wurde durch die Lösung hindurch geperlt, um im Wesentlichen reinen Ethanoldampf aus dem Hochdampfdruck-Dieseltreibstoff zu strippen und diesen über den Strom B in den Abgasstrom S zu tragen. Der Dieseltreibstoff in der Ethanol enthaltenden E-Dieselmischung diente als ein Träger für das Überführen des Reduktionsmittels zu dem Abgasstrom. Um einen hohen Grad an NOx Umsetzung aufrechtzuerhalten, konnte die benötigte Menge an Ethanol ungefähr 0,1 bis 1,0% der gesamten Abgasstromzusammensetzung ausmachen.In the treatment of the dynamometer exhausts, either pure ethanol or ethanol vaporized by air from an E-diesel mixture was injected into the exhaust stream. The e-diesel (a solution of 85% diesel fuel and 15% ethanol) was held in the reservoir E and air was bubbled through the solution to strip substantially pure ethanol vapor from the high vapor pressure diesel fuel and via the stream B in to carry the exhaust stream S. The diesel fuel in the ethanol containing E diesel mixture served as a carrier for transferring the reductant to the exhaust gas stream. To maintain a high level of NO x conversion, the required amount of ethanol could account for about 0.1 to 1.0% of the total exhaust stream composition.
Es wurde herausgefunden, dass der das Reservoir bei Raumtemperatur verlassende, Ethanol enthaltende Luftstrom mit Ethanoldampf gesättigt war. In dem experimentellen Aufbau konnte der Ethanol enthaltende Luftstrom (Strom B) in dem Seitenstrom S in den Abgasstrom injiziert werden, nachdem das Ozon enthaltende Plasma, basierend auf 10 l/Min. des Abgasstroms in dem Seitenstrom S, mit einer Geschwindigkeit von 0,037 cm3/Min. in das Abgas mit ungefähr 235 ppm an NOx injiziert wurde. Für Vergleichszwecke wurde ebenfalls Vorsehung getroffen, mit Ethanol gesättigte Luft zusammen mit dem in dem HP zu behandelnden Luftstrom in den Plasmareaktor HP (Strom A) einzuführen.It was found that the ethanol-containing air stream leaving the reservoir at room temperature was saturated with ethanol vapor. In the experimental setup, the air stream containing ethanol (stream B) in the side stream S could be injected into the exhaust stream after the ozone-containing plasma based on 10 l / min. of the exhaust flow in side stream S, at a rate of 0.037 cm 3 / min. into the exhaust was injected with approximately 235 ppm NO x . It has also been provided for comparison purposes to introduce ethanol-saturated air into the plasma reactor HP (stream A) together with the air stream to be treated in the HP.
Der Reduktionskatalysator wurde ausgehend von honigwabenförmigen, mit NaY Zeolith (JohnsonMatthey) beschichteten Cordierite-Steinen (5,66 Inch Durchmesser bei 6 Inch Länge) hergestellt. Zylindrische Kernstücke mit einem Durchmesser von 1,875 Inch wurden unter Einsatz eines 2 Inch Lochbohrers ausgebohrt. BaY und CuY Versionen der honigwabenförmigen Steine wurden durch wässrigen Ionenaustausch der NaY beschichteten Steine mit Ba(NO3)2- und Cu(NO3)2-Vorläufern hergestellt. Die Steine wurden dann für vier Stunden bei 500°C unter atmosphärischen Bedingungen kalziniert. Die Honigwabenkatalysatoren wurden mit einem isolierenden Tuch umhüllt, bevor diese in ein rostfreies Stahlreaktorrohr mit einem o. d. von 2 Inch eingeführt wurden. In den Zweibettreaktoren wurden die NaY beschichteten (oder BaY beschichteten) Steine stromabwärts von CuY beschichtetem Stein gefolgt. Die Reaktortemperaturen wurden sowohl an dem Einlass als auch an dem Auslass des Reaktors mit einer typischen Genauigkeit von +/–1°C überwacht. Diese Temperaturen variierten mit der Temperatur des Abgasstroms aus dem Dieselmotor.The reduction catalyst was prepared from honeycomb shaped NaY zeolite (JohnsonMatthey) coated cordierite stones (5.66 inches in diameter by 6 inches in length). Cylindrical core pieces with a diameter of 1.875 inches were drilled out using a 2 inch hole drill. BaY and CuY versions of the honeycomb-shaped stones were prepared by aqueous ion exchange of the NaY coated stones with Ba (NO 3 ) 2 and Cu (NO 3 ) 2 precursors. The stones were then calcined for four hours at 500 ° C under atmospheric conditions. The honeycomb catalysts were wrapped with an insulating cloth before being introduced into a 2 inch OD stainless steel reactor tube. In the two-bed reactors, the NaY coated (or BaY coated) stones were followed downstream of CuY coated stone. The reactor temperatures were at both the inlet and monitored at the outlet of the reactor with a typical accuracy of +/- 1 ° C. These temperatures varied with the temperature of the exhaust stream from the diesel engine.
Die chemische Zusammensetzung des Abgases wurde durch eine Analysiervorrichtung AN an drei verschiedenen Orten überwacht: vor der Einführung des Ozonplasmas aus dem Plasmareaktor, nach der Plasmaeinführung (aber vor dem Katalysatorreaktor) und nach dem Katalysatorreaktor. Für die chemische Analyse wurde ein von Horiba gefertigter Motorabgasanalysator (Mexa-7500 DEGR), welcher einen NO/NOx Chemilumineszenzanalysator, einen HFID HC Analysator, einen O2 Analysator und IR Analysatoren für CO, CO2 und N2O umfasste, eingesetzt. Der HFID HC Analysator wurde für den Gesamtkohlenstoff sowohl aus HC als auch aus organischen POHC eingesetzt. Unter Einsatz des Abgasbehandlungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer Reaktoraustrittstemperatur von ungefähr 300°C wurde eine ungefähr 98%-ige Umsetzung von NOx zu N2 erreicht.The chemical composition of the exhaust gas was monitored by an analyzer AN at three different locations: before the introduction of the ozone plasma from the plasma reactor, after the plasma introduction (but before the catalyst reactor) and after the catalyst reactor. For chemical analysis, a Horiba-made engine exhaust analyzer (Mexa-7500 DEGR) incorporating a NO / NO x chemiluminescence analyzer, an HFID HC analyzer, an O 2 analyzer and IR analyzers for CO, CO 2 and N 2 O was used. The HFID HC analyzer was used for the total carbon of both HC and organic POHC. Using the exhaust treatment process of the present invention at a reactor exit temperature of about 300 ° C, an approximately 98% conversion of NO x to N 2 was achieved.
Der Effekt des Ozon enthaltenden Plasmas (wesentlich für die Ausführung der vorliegenden Erfindung) auf die Leistungsfähigkeit des NOx Reduktionsverfahrens ist in der
Wie in der
Der Effekt der Gasraumgeschwindigkeit in dem Reduktionsreaktor auf die NOx Umsetzungsleistung des NOx Reduktionssystems gemäß der vorliegenden Erfindung wurde ebenfalls getestet, wobei NaY Zeolith als Reduktionskatalysator eingesetzt wurde. Die Ergebnisse zeigten, dass die NOx Umsetzungsleistung mit abnehmender Raumgeschwindigkeit über einen Temperaturbereich von 200°C bis 400°C zunahm und bei 5000/Std. und 200°C eine 90%-ige Umsetzung erreichte. Die durchschnittliche Rate der Veränderung der NOx Umsetzung mit der Katalysatortemperatur für eine Raumgeschwindigkeit von 10000/Std. ist ungefähr zweimal so hoch wie für 5000/Std., was mit der kinetischen Theorie konsistent ist. Die Laboratoriumsreaktordaten wurden dann mit den Motordynamometertestdaten, bei denen der Laboratoriumsaufbau einen NaY Pulverkatalysator bei einer Raumgeschwindigkeit von 11000/Std. enthielt, verglichen. Die Leistungsfähigkeit des in dem Dynamometertest unter Einsatz von realem Motorabgas bei einer Raumgeschwindigkeit von 5000/Std. eingesetzten Honigwabenkatalysators ist ungefähr dieselbe wie die des für den laboratoriumssimulierten Abgasstrom bei einer Raumgeschwindigkeit von 11000/Std. eingesetzten Pulverkatalysators. Dies zeigt, dass zwischen dem Pulverkatalysator und dem Honigwabenkatalysator für dieselbe Leistungsfähigkeit ein Katalysatorvolumenverhältnis von 2,2 anwendbar ist. Folglich muss das Schüttvolumen des Honigwabenkatalysators ungefähr zweimal so groß wie das eines Pulverkatalysators sein, um dieselbe Leistungsfähigkeit aufrechtzuerhalten.The effect of the gas space velocity in the reduction reactor on the NO x conversion efficiency of the NO x reduction system according to the present invention was also tested using NaY zeolite as the reduction catalyst. The results showed that the NO x conversion efficiency increased with decreasing space velocity over a temperature range of 200 ° C to 400 ° C and at 5000 / hr. and 200 ° C reached a 90% conversion. The average rate of change of NO x conversion with the catalyst temperature for a space velocity of 10,000 / hr. is about twice as high as for 5000 / hr, which is consistent with kinetic theory. The laboratory reactor data was then taken with the engine dynamometer test data in which the laboratory setup used a NaY powder catalyst at a space velocity of 11000 / hr. contained, compared. The performance of the dynamometer test using real engine exhaust at a space velocity of 5000 / hr. The honeycomb catalyst employed is approximately the same as that of the laboratory simulated exhaust stream at a space velocity of 11,000 / hr. used powder catalyst. This shows that a catalyst volume ratio of 2.2 is applicable between the powder catalyst and the honeycomb catalyst for the same performance. Consequently, the bulk volume of the honeycomb catalyst must be about twice that of a powder catalyst to maintain the same performance.
Die
Ein anderer Weg der Untersuchung der Effizienz der Katalysatoren, der Temperaturveränderung des Katalysatorbetts wurde wie folgt verglichen. Zuerst wurde das (Plasma + Katalysator)-System mit der Nachplasmainjektion von E-Diesel stabilisiert, bis dieses einen stationären Zustand erreichte, so dass die Temperatur an dem Katalysatorausgang bei der gewünschten Temperatur (d. h. 200 oder 300°C) verblieb. Dann wurde der E-Dieselinjektionsmodus zu dem Vorplasmainjektionsmodus umgeschaltet, während dessen die Temperaturveränderungen aufgrund dieses Umschaltens von der Nachplasmainjektion zu der Vorplasmainjektion überwacht wurde. Sowohl für 200°C als auch für 300°C besteht ein substantieller Temperaturanstieg aufgrund dieses Umschaltens mit einem begleitenden Anstieg der CO- und CO2-Mengen. Dies ist ein Hinweis auf eine verstärkte Oxidation (Verbrennung) des E-Diesels bei der Vorplasmainjektion im Vergleich zu der Nachplasmainjektion resultierend in einer verringerten NOx Umsetzungsleistung, wenn auch der Unterschied gering ist. Basierend auf diesen Beobachtungen sowohl in dem Laboratoriumstest als auch in den Dynamometertests wird geschlossen, dass die Ethanol basierenden Reduktionsmittel für eine effiziente NOx Reduktion nicht durch Plasma behandelt werden müssen. Vorzugsweise wird das Ethanol in der benötigten Menge getrennt und stromabwärts der Ozon enthaltenden Plasmainjektion eingeführt.Another way of examining the efficiency of the catalysts, the temperature change of the catalyst bed, was compared as follows. First, the (plasma + catalyst) system was stabilized with post-plasma injection of E-diesel until it reached a steady state such that the temperature at the catalyst exit remained at the desired temperature (ie, 200 or 300 ° C). Then, the E-diesel injection mode was switched to the pre-plasma injection mode during which the temperature changes due to this switching from the post-plasma injection to the pre-plasma injection were monitored. For both 200 ° C and 300 ° C, there is a substantial increase in temperature due to this switching with concomitant increases in CO and CO 2 levels. This is an indication of increased oxidation (combustion) of the E-diesel in the Vorplasmainjektion compared to the Nachplasmainjektion resulting in a reduced NO x conversion performance, although the difference is small. Based on these observations in both the laboratory test and the dynamometer tests, it is concluded that the ethanol-based reducing agents need not be plasma-treated for efficient NO x reduction. Preferably, the ethanol is separated in the required amount and introduced downstream of the ozone-containing plasma injection.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist für die Verwendung eines jeden Typs von in Dieselmotoren eingesetztem Treibstoff anwendbar unabhängig von dem in dem Treibstoff vorliegenden Schwefelgehalt. Es wurden Experimente unter Einsatz von drei verschiedenen Treibstoffen einschließlich Chevron ULS, Schwedisch und Amoco Premium mit 0,2 ppm an Schwefel (S), 2 ppm an S bzw. 400 ppm an S Gehalt durchgeführt. Bei einer typischen Katalysatortemperatur von 300°C wird die NOx Umsetzung durch den in dem Treibstoff vorliegenden Schwefelgehalt nicht signifikant beeinflusst.The method according to the present invention is applicable to the use of any type of fuel used in diesel engines regardless of the sulfur content present in the fuel. Experiments were conducted using three different fuels including Chevron ULS, Swedish and Amoco Premium with 0.2 ppm sulfur (S), 2 ppm S, and 400 ppm S, respectively. At a typical catalyst temperature of 300 ° C, NO x conversion is not significantly affected by the sulfur content present in the fuel.
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